К электрическим свойствам кристаллов относят электропроводность (способность кристалла проводить электрический ток). Электропроводность определена наполненностью энергетических зон электронами и шириной запрещенной зоны.
У проводников (металлов) — валентная зона заполнена частично, электроны занимают нижнюю часть зоны, верхние уровни не заполнены. Под действием внешнего электрического поля (возможно слабого) валентные электроны приобретают кинетическую энергию, которая позволяет им занимать более высокие энергетические уровни. Электроны участвуют в перенесении заряда, то есть ток течет. Проводимость проводников электронная (металлы, полупроводники), ионная (электролиты), смешанная. По отношению к электропроводности кристалл выступает как непрерывная однородная среда.
Кристаллы, которые являются диэлектриками, без специального воздействия являются изоляторами, то есть ток не проводят. Процессы поляризации в веществе, происходя при смещении любых зарядов, эти процессы конечны во времени. Они происходят до момента установления равновесного состояния и происходят с возникновение токов поляризации (или токов смещения) в диэлектриках. Токи смещения еще называют абсорбционными токами. При постоянном напряжении абсорбционные токи ($I_$) идут только в моменты включения (выключения) напряжения.
Что происходит с вашим телом при воздействии электрического тока?
Присутствие в технических диэлектриках некоторого количества свободных зарядов и их инжекция из электронов ведут к появлению сквозных токов ($I_$). Полная плотность тока ($j_$), которая называется током утечки в таком случае равна:
где $j_$ — плотность тока абсорбции, $j_$ — плотность сквозного тока.
Плотность тока смещения ($j_$) включает мгновенное и замедленное смещение зарядов равна:
В большинстве случает электропроводность диэлектрика ионная, реже — электронная.
Сопротивление диэлектрика, заключенного между двумя электродами при постоянном напряжении (сопротивление изоляции $R_$) вычисляется по формуле:
где $U$ — приложенное напряжение, $I_$ — ток утечки, $sum>$=$I_$- ток абсорбции.
Основное свойство диэлектрика состоит в способности электризоваться во внешнем электрическом поле. Диэлектриками называют вещества, которые не способны проводить электрический ток. Изоляторов, которые абсолютно не проводят электрический ток, в природе не существует. Диэлектрики в $^-^ $раз хуже проводят ток, чем проводники. Дело в том, что в диэлектриках отсутствуют свободные заряды.
Если диэлектрик внести в электрическое поле, то и поле и сам диэлектрик сильно изменяются. В изначально не заряженных диэлектриках в присутствии поля возникают электрические заряды. Происходит явление поляризации вещества, то есть на диэлектрике в поле возникают электрические полюсы. Заряды, которые появляются при этом, называют поляризационными зарядами.
Отделить друг от друга поляризационные заряды не возможно. В этом состоит их существенное отличие от индукционных зарядов в проводниках. Такое отличие объясняется тем, что в металлах присутствуют электроны, которые могут перемещаться на значительные расстояния. В диэлектриках положительные и отрицательные заряды связаны между собой и могут смещаться только в пределах одной молекулы, то есть на очень небольшие расстояния.
Пожалуй, главное заблуждение об электричестве [Veritasium]
Существуют полярные и неполярные диэлектрики.
Неполярные диэлектрики
Некоторые вещества построены из молекул, в состав которых входят незаряженные атомы, например, молекула кислорода. Если неполярная молекула попадает в электрическое поле, то заряды смещаются друг относительно друга в противоположные стороны. Молекула вызывает электрическое поле, которое совпадает (вне молекулы) с полем диполя. У такого диполя каждый из точечных зарядов равен заряду сферы, а плечо диполя равно расстоянию между центрами сфер.
Полярные диэлектрики
Существуют диэлектрики, в которых молекулы имеют дипольный момент в отсутствии электрического поля (полярные молекулы). Если поле отсутствует, то полярные молекулы участвуют в тепловом движении, ориентированы беспорядочно. При внесении диэлектрика в поле, молекулы ориентируются в основном в направлении поля. Следовательно, диэлектрик поляризуется. У несимметричных молекул ($_2O, CO$) центры тяжести сдвинуты друг относительно друга, в результате чего молекулы имеют дипольный момент и называются полярными.
Кроме того, диэлектрики можно разделить на активные и пассивные.
К активным (управляемым) диэлектрикам относят такие вещества, свойства которых сильно зависят от внешних условий (температуры, давления, напряженности внешнего поля). К ним относят сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, эклектреты.
К пассивным диэлектрикам относят изоляторы, конструктивные диэлектрические вещества, материалы квантовой электроники и др.
Существуют кристаллы, у которых решетка положительных ионов в состоянии термодинамического равновесия смещена относительно решетки из отрицательных ионов. Так кристаллы являются поляризованными без внешнего электрического поля. Подобная поляризация называется спонтанной, а сами кристаллы носят название прироэлектриков.
Существует целый ряд кристаллов, у которых на поверхности при деформации возникают электрические заряды. Подобные кристаллы называют пьезоэлектриками.
Сегнетоэлектриками называют полярные диэлектрики, которые в определённом интервале температур поляризуются при отсутствии внешнего электрического поля (спонтанно поляризованы). Но на границах данного температурного интервала они испытывают фазовые превращения, в которых переходят в новые кристаллические модификации, в которых спонтанная поляризация отсутствует. От обычных пироэлектриков сегнетоэлектрики отличаются еще тем, что направление спонтанной поляризации в сегнетоэлектрике может быть изменено на противоположное даже слабым электрическим полем, тогда как в пироэлектриках это возможно только в сильных полях. Сегнетоэлектрики обладают рядом важных и интересных физических свойств, отличающих их от других диэлектриков (об этом информация приведена в специальных разделах, посвященных сегнетоэлектрикам).
Поляризуются молекулы и кристаллы. Могут иметь место как минимум три механизма поляризации:
- Электронная поляризация атомов и ионов, которые составляют молекулу или кристалл. При этом внешнее поле вызывает смещение электронного облака относительно ядра.
- Ионная поляризуемость, которая связана со смещением противоположно заряженных ионов в электрическом поле.
- Ориентационная поляризуемость, связанная с поворотом молекул в электрическом поле.
В некоторых диэлектриках может иметь место четвертый тип поляризации — миграционная. Это когда объемные заряды возникают за счет перемещения свободных носителей заряда внутри диэлектрика.
Отправной точкой в описании свойств диэлектрика служат уравнения Максвелла в которых связь между электрической индукцией и напряженностью имеет вид:
Специфику электрических свойств диэлектриков выявляют, записывая выражение (4) в виде:
где $overrightarrow$ — вектор поляризации.
Задание: Поляризованность бесконечной пластины из диэлектрика имеет вид: $overrightarrow=overrightarrow(1-frac)$, где $overrightarrow $- вектор, который перпендикулярен к пластине. Расстояние от середины пластины — $x$. $d$- половина толщины пластины. Найдите разность потенциалов между поверхностями пластины. Считать, что пластина не заряжена. Диэлектрик изотропный.
Так как диэлектрик изотропный, то связь между напряженностью и вектором поляризации диэлектрика можно записать как:
Или используя уравнение, которое описывает поляризацию из условий задачи из (1.1), получим:
Из уравнения связи между напряженностью и потенциалом, имеем:
В применении к нашему случаю, запишем:
где $overrightarrow$ — единичный вектор, направленный по оси X.
Найдем интеграл в выражении (1.4), получим:
Источник: spravochnick.ru
Отвечаем на вопрос: проводит ли электрический ток дистиллированная вода?
Теоретически дистиллированная вода не относится к числу веществ, проводящих электроток. В идеально чистой жидкой среде отсутствуют минеральные соли и дополнительные примеси.
В ней практически нет свободных ионов. В такой среде отсутствуют подходящие условия для их взаимодействия.
На практике из водного раствора не удается полностью удалить все соли и примеси. Их концентрация в ней существенно ниже, чем в обычной воде.
Но такая очищенная среда все равно содержит в себе некоторое количество веществ, которые могут передавать электричество. Такая жидкая среда может быть слабым проводником.
Может ли бумага проводить ток
Важным преимуществом этих материалов является то, что они производятся из возобновляемого сырья, а именно из древесной массы. Технология приготовления состоит из варки щепы и опилок в щелочном растворе с добавками. Целлюлозные волокна разделяются, полученная пульпа загущается удалением некоторого количества воды, из нее удаляются металлические примеси.
Затем следует прокатка между вальцами, при повышенных давлении и температуре. Чем выше плотность бумаги, тем выше как механическая, так и электрическая прочность бумаги. Самые тонкие и прочные бумаги используются для изготовления конденсаторов. Достаточно отметить, что плотность конденсаторных бумаг достигает 1.6 т/м 3 , т.е. более, чем в 1.5 раза превышает плотность воды. При этом электрическая прочность бумаги толщиной 10 мкм, пропитанной трансформаторным маслом, составляет до 10 МВ/см.
Электротехнический картон используется в качестве диэлектрических дистанцирующих прокладок, шайб, распорок, в качестве изоляции магнитопроводов, пазовой изоляции вращающихся машин и т.п. Картон, как правило, используется после пропитки трансформаторным маслом. Электрическая прочность пропитанного картона достигает 40-50 кВ/мм. Поскольку она выше прочности трансформаторного масла, для увеличения электрической прочности трансформаторов зачастую устраивают в среде масла специальные барьеры из картона. Маслобарьерная изоляция обычно имеет прочность Е=300-400 кВ/см. Недостатком картона является гигроскопичность, в результате попадания влаги уменьшается механическая прочность и, резко уменьшается электрическая прочность (в 4 и более раз)
В последнее время бурно развивается производство изоляторов для ВЛ на основе кремнийорганической резины . Этот материал относится к каучукам, основное свойство которых — эластичность. Это позволяет изготовлять из каучуков не только изоляторы, но и гибкие кабели. В энергетике используются разные типы каучуков: натуральные каучуки, бутадиеновые, бутадиен-стирольные, этиленпропиленовые и кремнийорганические.
Основу кремнийорганических резин составляют полиорганосилоксаны:
Почему не передает?
Очищенные растворы не являются передатчиками электричества по следующим причинам:
- в них нет растворенных солей или их уровень низкий;
- не имеют в своем составе заряженных ионов;
- в них не присутствуют прочие вещества, способные выступать посредниками при передаче электрических разрядов.
У самой воды электропроводимость мала. Ее молекулы сами по себе выступают слабыми посредниками при передаче электрических разрядов.
Электропроводность повышается благодаря присутствию в воде примесей и солей. А поскольку в дистилляте их практически нет, то сами по себе водные молекулы ток провести не смогут.
Показатели растворов, влияющие на их электропроводимость
На возможность проведения электрических разрядов очищенными смесями оказывают влияние два значения. Первое из них – удельная электропроводность.
Она позволяет выяснить, насколько жидкая субстанция способна пропускать электроток. Для этого на нее воздействуют электрополем.
Второй показатель – диэлектрическая проницаемость. Она дает представление о том, насколько жидкость слабо проводит электроток.
Удельная электропроводность
Для дистиллированных составов установлено ее специальное значение. Если они соответствуют ему, то признаются дистиллятами.
Удельная электропроводимость для стерильной H2O зафиксирована ГОСТом 6709-72. Ее оптимальная величина составляет 0,5 мСименс/м.
Это очень маленький коэффициент. При таком уровне состав практически не может пропускать электроток.
Также играет роль температура среды. Для дистиллята оптимальным будет показатель в 0,5 мСименс/м при его температуре в 200С. Если значение электропроводности будет больше, то вода уже не будет считаться дистиллированной.
Удельная электропроводимость в 0,5 мСименс/м является нормой для данного типа воды.
Диэлектрическая проницаемость
Удельное сопротивление
Удельное сопротивление — характеристика материала, определяющая его способность проводить электрический ток. Определяется как отношение электрического поля к плотности тока. В общем случае является тензором, однако для большинства материалов, не проявляющих анизотропных свойств, принимается скалярной величиной.
Обозначение — ρ
В технике применяется определение удельного сопротивления, как сопротивление проводника единичного сечения и единичной длины.
Удельное сопротивление некоторых материалов, используемых в электротехнике [ ]
| серебро | 1,59·10⁻⁸ | 4,10·10⁻³ |
| медь | 1,67·10⁻⁸ | 4,33·10⁻³ |
| золото | 2,35·10⁻⁸ | 3,98·10⁻³ |
| алюминий | 2,65·10⁻⁸ | 4,29·10⁻³ |
| вольфрам | 5,65·10⁻⁸ | 4,83·10⁻³ |
| латунь | 6,5·10⁻⁸ | 1,5·10⁻³ |
| никель | 6,84·10⁻⁸ | 6,75·10⁻³ |
| железо (α) | 9,7·10⁻⁸ | 6,57·10⁻³ |
| олово серое | 1,01·10⁻⁷ | 4,63·10⁻³ |
| платина | 1,06·10⁻⁷ | 6,75·10⁻³ |
| олово белое | 1,1·10⁻⁷ | 4,63·10⁻³ |
| сталь | 1,6·10⁻⁷ | 3,3·10⁻³ |
| свинец | 2,06·10⁻⁷ | 4,22·10⁻³ |
| дюралюминий | 4,0·10⁻⁷ | 2,8·10⁻³ |
| манганин | 4,3·10⁻⁷ | ±2·10⁻⁵ |
| константан | 5,0·10⁻⁷ | ±3·10⁻⁵ |
| ртуть | 9,84·10⁻⁷ | 9,9·10⁻⁴ |
| нихром 80/20 | 1,05·10⁻⁶ | 1,8·10⁻⁴ |
| канталь А1 | 1,45·10⁻⁶ | 3·10⁻⁵ |
| углерод (алмаз, графит) | 1,3·10⁻⁵ | |
| германий | 4,6·10⁻¹ | |
| кремний | 6,4·10² | |
| этанол | 3·10³ | |
| вода, дистиллированная | 5·10³ | |
| эбонит | 10⁸ | |
| бумага твёрдая | 10¹⁰ | |
| трансформаторное масло | 10¹¹ | |
| стекло обычное | 5·10¹¹ | |
| поливинил | 10¹² | |
| фарфор | 10¹² | |
| древесина | 10¹² | |
| ПТФЭ (тефлон) | >10¹³ | |
| резина | 5·10¹³ | |
| стекло кварцевое | 10¹⁴ | |
| бумага вощёная | 10¹⁴ | |
| полистирол | >10¹⁴ | |
| слюда | 5·10¹⁴ | |
| парафин | 10¹⁵ | |
| полиэтилен | 3·10¹⁵ | |
| акриловая смола | 10¹⁹ |
Источник: electronics.fandom.com